一种深海生物的围捕采样装置

1.本发明涉及一种围捕采样装置，尤其涉及一种深海生物的围捕采样装置。


背景技术：

2.21世纪将是计算机技术、通信技术、光机电一体化、全球化制造模式等高新技术发展的新纪元。在现代工业自动化技术中，运动控制技术代表着最广泛的用途并承担着最复杂的任务。
3.对海洋资源越来越重视，对于海底生物的探索采样也显得尤为重要，但是完成这样的一次水下采样作业不仅仅是单一的一个水下采样模块所能完成的，更需要水面的固定平台(静止的船舶、海上平台等)和较大型的水下运载器作为配套设备。在国际上较为流行的取样器搭载方式有两种：一种是作为一个工作模块，搭载在各种水下运载器(rov、auv、hov等)上，由水下运载器将采样设备移动至特定地点进行采样；另一种是通过缆绳将采样设备从船上直接投入水中，通过缆绳的收放垂直达到采集地点进行作业。
4.其中最突出的问题是数据处理的实时性得不到保证，导致运动误差很大。无论采取哪种技术，上述采样器都不能脱离pc机独立地进行工作。最为重要的是，对于一些软体动物的采样，目前的方法基本就是把软体动物从海里抓出来，在岸上进行采样，以至于很多生物都会失去生命。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种新型不伤害柔软深海生物的围捕采样装置，直接在海中进行采样并在采样完成后进行放生，避免了将软体动物从海里抓出来在岸上进行采样的过程。
6.本发明首先提供了一种深海生物的围捕采样装置，包括
7.执行模块，包括围捕装置和采样装置，所述围捕装置用于对目标生物进行围捕，所述采样装置用于对目标生物进行采样，采样装置包括刚性支撑轴以及设置在刚性支撑轴内部的伸缩采样针，所述刚性支撑轴与围捕装置连通；
8.监测模块，包括双目摄像机，用于监测围捕装置的实时状况并生成反馈信号以及检测采样装置进行采样状况并生成采样信息；
9.运动控制器，包括fpga芯片以及stm芯片；所述fpga芯片用于接收所述监测模块生成的反馈信号，根据反馈信号判断围捕装置与目标生物的距离并生成数据信息；fpga芯片还用于接收采样信息并生成数据信息，stm芯片接收经fpga芯片生成的数据信息并根据数据信息并生成控制指令；
10.传动模块，包括电机、减速器、与减速器连接的传动轴、与传动轴传动连接的锥齿轮组、设置在锥齿轮组上的齿轮轴以及与齿轮轴连接的钢丝绳；所述电机接收控制指令并根据控制指令进行正转或反转；所述减速器与电机传动连接；所述锥齿轮组包括一个大锥齿轮以及多个小锥齿轮，所述大锥齿轮和小锥齿轮啮合；大锥齿轮设置在传动轴上，小锥齿
轮上连接有齿轮轴；齿轮轴通过钢丝绳与围捕装置连接；
11.电源，用于为所述执行模块、监测模块、运动控制模块以及传动模块提供电力。
12.作为本发明的优选方案，所述围捕装置包括若干个壳体，所述壳体均设置在旋转件上并能够绕着旋转件闭合形成一个中空的球墩形外壳；壳体的数量与小锥齿轮数量相同，每个壳体分别通过钢丝绳与一个小锥齿轮连接。
13.作为本发明的优选方案，所述壳体上均设置有拉力弹簧，所述拉力弹簧的一端壳体连接，另一端与旋转件连接；当钢丝绳松弛时，在拉力弹簧的作用下，壳体绕着旋转点进行闭合；当钢丝绳拉紧时，壳体克服拉力弹簧的作用，绕着旋转点进行打开；所述旋转点为壳体在旋转件上的铰接点。
14.作为本发明的优选方案，所述运动控制模块还包括作为fpga芯片上电配置器件的flash芯片，flash芯片用于保证fpga芯片在重新上电后仍能继续工作。
15.作为本发明的优选方案，所述运动控制器还包括人机界交互单元，所述人机界交互单元用于输入电机的控制参数，所述控制参数包括电机旋转的方向以及速度。
16.作为本发明的优选方案，所述围捕采样装置上还设置有速度传感器与位置传感器。
17.作为本发明的优选方案，所述运动控制器上还设置有附属电路接口；所述附属电路接口包括usb接口、tps2041bdbv芯片、sp3232芯片、时钟电路、复位电路以及调试arm coresight调试接口。
18.本发明还提供了一种基于上述围捕采样装置的围捕采样方法，包括以下步骤：
19.1)将所述围捕采样装置放置在具有采样目标的区域，并通过双目摄像机对围捕装置进行实时监测；
20.2)双目摄像机将反馈信息发送给控制模块，fpga芯片根据反馈信号判断捕捉器与目标生物的距离，当距离达到设定的阈值范围时，fpga芯片生产数据信息并将数据信息发送给stm芯片，stm芯片接收经fpga芯片生成的数据信息并根据数据信息发出控制指令到传动模块；
21.3)传动模块的电机接收控制指令进行正转，与电机传动连接的减速器进行减速增扭，并将动力通过传动轴传给锥齿轮组的大锥齿轮，大锥齿轮带动小锥齿轮转动，齿轮轴随着小锥齿轮的转动进行转动；
22.4)齿轮轴的旋转带动钢丝绳，钢丝绳牵动围捕装置对目标生物进行围捕；
23.5)当目标生物被捕获后，stm芯片发出控制指令到采样装置，伸缩采样针从刚性支撑轴内部伸出对围捕的目标生物进行采样；
24.6)采样完成后，伸缩采样针缩回刚性支撑轴内部；双目摄像机将采样信息反馈给fpga芯片，fpga芯片生成数据信息发送给stm芯片，stm芯片接收经fpga芯片生成的数据信息并根据数据信息发出控制指令到传动模块；
25.7)传动模块的电机接收控制指令进行反转，与电机传动连接的减速器进行减速增扭，并将动力通过传动轴传给锥齿轮组的大锥齿轮，大锥齿轮带动小锥齿轮转动，齿轮轴随着小锥齿轮的转动进行转动；
26.8)齿轮轴的旋转带动钢丝绳，钢丝绳牵动围捕装置将围捕的目标生物进行释放。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
28.本发明装置可在pc的监控下运行，同时支持带触摸屏的嵌入式人机界面以脱离pc独立运行，集成了plc过程逻辑控制和运动控制功能，具有良好的通用性。
29.本发明采用了仿生设计的技术手段，设计的围捕装置能像花瓣一样开合，能捕捉和释放水母、章鱼、乌贼等柔软的深海生物，并且与采样装置配合，在海里直接进行采样，克服了现有技术中采样时需要将水下生物从海里抓出来，在岸上进行采样的问题，从而减少了水下生物在采样过程中造成生物死亡或者重伤的情况。
附图说明
30.图1是本发明的一种新型不伤害柔软深海生物的围捕采样装置。
31.附图标记说明如下：1、运动控制器；2、减速器；3、传动轴；4、锥齿轮组；5、齿轮轴；6、钢丝绳；7、旋转件；8、电机；9、围捕装置；10、壳体；11、拉力弹簧；12、旋转点；13、采样装置；14、双目摄像机。
具体实施方式
32.下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
33.本发明的实施例公开了一种新型不伤害柔软深海生物的围捕采样装置。如图1所示，本发明的新型不伤害柔软深海生物的围捕采样装置包括：运动控制器1、减速器2、传动轴3锥齿轮组4、齿轮轴5、钢丝绳6、旋转件7、电机8围捕装置9、壳体10、拉力弹簧11、采样装置13、双目摄像机14。在运动控制器1中，电源模块能够为整个围捕采样装置提供电，电路板与上位机相通信连接，fpga芯片与stm芯片设置在电路板上并相连接，stm芯片与usb接口、rs232接口、jtag接口连接；上位机通过usb接口、rs232接口、jtag接口与stm芯片进行通讯传输；内部stm芯片将数据传递给fpga芯片2进行数据处理，并且数据通过fpga扩展引脚传递给电机，同时接受传感器的反馈信号，经过处理之后反馈给stm芯片。接着stm芯片在发出控制指令给电机，经过减速器2进行减速增扭，接着扭矩经过传动轴3、锥齿轮组4、齿轮轴5、钢丝绳6、旋转件7进而控制围捕装置9完成动作。
34.在运动控制器1中usb接口使用了tps2041bdbv，实现usb的热插拔，起到供电开关的作用，同时进行热保护，esd保护以及短路保护。
35.本实例中，fpga芯片的型号为ep4ce10f17c8，该芯片拥有10k的逻辑单元，179个可配置的i/o口，414kbit的嵌入式ram资源，两个独立pll锁相环，10个全局时钟网络；该fpga芯片采用的封装为fbga256。在其它实施例中，开发单元的芯片采用mcu芯片等其它嵌入式芯片。其他嵌入式芯片也适合本专利的系统架构。
36.jtag接口作为开发板的芯片的程序调试、固化和下载的端口。
37.人机交互单元包括：lcd液晶显示屏、lcd驱动控制器、触摸屏控制器与驱动芯片；lcd液晶显示屏采用台湾群创7寸24位真彩atn070tn92液晶屏，同时带电阻触摸屏；液晶屏的lcd驱动控制器为ra8875，通过并行总线与stm32连接，触摸屏控制器集成在ra8875芯片内部；驱动芯片使用tps61040和cat4139对lcd进行驱动；
38.fpga芯片是基于sram的结构，即下载后的网表存储在fpga内部的sram中，sram有
掉电易失的特性，掉电后功能就消失。为了使网表重新上电后仍然存在，就需要将网表存储到片外的flash中，flash芯片型号为w25q16，存储容量为16mbit(2m字节)，采用spi协议和fpga进行通信，可做为fpga的配置芯片(完全兼容epcs16芯片)，以保证fpga在重新上电后仍能继续工作。
39.下面结合图1来说明本发明的工作原理进行说明。
40.本发明的一种新型不伤害柔软深海生物的围捕采样装置首先，通过usb接口直接插入电脑pc的usb接口与pc实现通讯连接，通过pc机的上位机软件进行程序的下载和调试，在调试完成后，网表存储到片外的flash中，重新上电后仍能继续工作；移除pc机，让采样器单独运行，通过下位机的人机界交互单元实现控制参数的输入。然后密封下水，通过围捕装置9底部的双目摄像机进行实时观察，fpga通过其强大的实时处理数据的能力，判断目标生物与围捕装置9的距离，一旦满足条件，fpga会与stm进行通信，stm芯片发出指令控制电机进行正转，接着通过减速器2进行减速增扭，扭矩经过传动轴3传给锥齿轮组4本实施例中，锥齿轮组包括一个大锥齿轮以及五个小锥齿轮，齿轮轴5随着齿轮轴的转动而转动，图一还有四个与齿轮轴5水平均匀排布的锥齿轮轴没有画出，运动与齿轮轴5类似，齿轮轴5的旋转带动软钢丝绳6的松弛，在拉力弹簧11的作用下拉动壳体10进行闭合，此处只介绍了五分之一，其他四个结构运动与这个相同，然后围捕装置9就成功的围捕到了软体动物。在此期间，各种传感器会把电机的旋转速度以及围捕装置9开合大小反馈给fpga芯片，fpga芯片把数据结果发送给stm，stm在发出信号进行电机速度方向等的调整。当采样装置13完成采样时，将采样完成信息反馈给控制器，控制器再控制电机反转，接着通过减速器2进行减速增扭，扭矩经过传动轴3传给锥齿轮组4，本实施例中，锥齿轮组包括一个大锥齿轮以及五个小锥齿轮，齿轮轴5随着小齿轮轴的转动而转动，图一还有四个与齿轮轴5水平均匀排布的小锥齿轮轴没有画出，运动与齿轮轴5类似，齿轮轴5的旋转带动软钢丝绳6的拉紧，克服拉力弹簧11的作用下拉动壳体10进行打开，此处只介绍了五分之一，其他四个结构运动与这个相同，然后围捕装置9就成功的释放了软体动物，到这里采样就已经成功结束。同时双目摄像机14会把围捕采样过程记录下来。
41.本发明从实际应用角度出发，结合当前采样器的发展现状和趋势，以及微电子和计算机领域的最新技术，创新地提出了以stm32+fpga芯片为硬件平台；采用fpga芯片完成逻辑控制，硬件信号的反馈和处理，以及外部设备的控制。stm32利用多种通信总线和上位机完成数据通信，以适应不同应用场合，并根据上位机的指令，完成多种计算和控制任务；同时也创新性的提出了一种柔性围捕装置的设计模型，实现了温柔采样，不会危机生物的生命。
42.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种深海生物的围捕采样装置，其特征在于，包括执行模块，包括围捕装置和采样装置(13)，所述围捕装置用于对目标生物进行围捕，所述采样装置(13)用于对目标生物进行采样，采样装置(13)包括刚性支撑轴以及设置在刚性支撑轴内部的伸缩采样针，所述刚性支撑轴与围捕装置连通；监测模块，包括双目摄像机，用于监测围捕装置的实时状况并生成反馈信号以及检测采样装置(13)进行采样状况并生成采样信息；运动控制器(1)，包括fpga芯片以及stm芯片；所述fpga芯片用于接收所述监测模块生成的反馈信号，根据反馈信号判断围捕装置与目标生物的距离并生成数据信息；fpga芯片还用于接收采样信息并生成数据信息，stm芯片接收经fpga芯片生成的数据信息并根据数据信息并生成控制指令；传动模块，包括电机、减速器(2)、与减速器(2)连接的传动轴(3)、与传动轴传动连接的锥齿轮组(4)、设置在锥齿轮组上的齿轮轴(5)以及与齿轮轴(5)连接的钢丝绳(6)；所述电机接收控制指令并根据控制指令进行正转或反转；所述减速器(2)与电机传动连接；所述锥齿轮组包括一个大锥齿轮以及多个小锥齿轮，所述大锥齿轮和小锥齿轮啮合；大锥齿轮设置在传动轴(3)上，小锥齿轮上连接有齿轮轴(5)；齿轮轴(5)通过钢丝绳(6)与围捕装置连接；电源，用于为所述执行模块、监测模块、运动控制模块以及传动模块提供电力。2.根据权要求1所述的围捕采样装置，其特征在于，所述围捕装置包括若干个壳体，所述壳体均设置在旋转件(7)上并能够绕着旋转件(7)闭合形成一个中空的球墩形外壳；壳体的数量与小锥齿轮数量相同，每个壳体分别通过钢丝绳(6)与一个小锥齿轮连接。3.根据权要求2所述的围捕采样装置，其特征在于，所述壳体上均设置有拉力弹簧(11)，所述拉力弹簧(11)的一端壳体连接，另一端与旋转件(7)连接；当钢丝绳(6)松弛时，在拉力弹簧的作用下，壳体绕着旋转点(12)进行闭合；当钢丝绳(6)拉紧时，壳体克服拉力弹簧的作用，绕着旋转点(12)进行打开；所述旋转点(12)为壳体在旋转件(7)上的铰接点。4.根据权要求1所述的围捕采样装置，其特征在于，所述运动控制器(1)还包括作为fpga芯片上电配置器件的flash芯片，flash芯片用于保证fpga芯片在重新上电后仍能继续工作。5.根据权要求1所述的围捕采样装置，其特征在于，所述运动控制器还包括人机界交互单元，所述人机界交互单元用于输入电机的控制参数，所述控制参数包括电机旋转的方向以及速度。6.根据权要求1所述的围捕采样装置，其特征在于，所述围捕采样装置上还设置有速度传感器与位置传感器。7.根据权要求1所述的围捕采样装置，其特征在于，所述运动控制器(1)上还设置有附属电路接口；所述附属电路接口包括usb接口、tps2041bdbv芯片、sp3232芯片、时钟电路、复位电路以及调试arm coresight调试接口。8.一种基于权利要求1所述围捕采样装置的围捕采样方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将所述围捕采样装置放置在具有采样目标的区域，并通过双目摄像机对围捕装置进行实时监测；
2)双目摄像机将反馈信息发送给控制模块，fpga芯片根据反馈信号判断捕捉器与目标生物的距离，当距离达到设定的阈值范围时，fpga芯片生产数据信息并将数据信息发送给stm芯片，stm芯片接收经fpga芯片生成的数据信息并根据数据信息发出控制指令到传动模块；3)传动模块的电机接收控制指令进行正转，与电机传动连接的减速器进行减速增扭，并将动力通过传动轴传给锥齿轮组的大锥齿轮，大锥齿轮带动小锥齿轮转动，齿轮轴随着小锥齿轮的转动进行转动；4)齿轮轴的旋转带动钢丝绳，钢丝绳牵动围捕装置对目标生物进行围捕；5)当目标生物被捕获后，stm芯片发出控制指令到采样装置，伸缩采样针从刚性支撑轴内部伸出对围捕的目标生物进行采样；6)采样完成后，伸缩采样针缩回刚性支撑轴内部；双目摄像机将采样信息反馈给fpga芯片，fpga芯片生成数据信息发送给stm芯片，stm芯片接收经fpga芯片生成的数据信息并根据数据信息发出控制指令到传动模块；7)传动模块的电机接收控制指令进行反转，与电机传动连接的减速器进行减速增扭，并将动力通过传动轴传给锥齿轮组的大锥齿轮，大锥齿轮带动小锥齿轮转动，齿轮轴随着小锥齿轮的转动进行转动；8)齿轮轴的旋转带动钢丝绳，钢丝绳牵动围捕装置将围捕的目标生物进行释放。

技术总结
本发明提出了一种深海生物的围捕采样装置，包括：控制模块，用于实现根据控制要求和传感器的反馈信号进行必要的逻辑数学运算，发送控制信号给电机驱动的功能，包括人机交互单元、FPGA芯片、FLASH芯片、STM芯片以及附属电路接口；传动模块，用于传递系统所需要的扭矩，包括电机、减速器、传动轴、锥齿轮组、以及其他附属器件；执行模块，用于动作的实现，包括：捕捉器以及采样器；检测模块，用于实时的监测系统，包括双目摄像机以及各种传感器。本发明如折纸开合来捕捉柔软的深海生物，整个过程会拍摄视频、提取DNA样本等，尽可能不伤害生物；此外本发明带触摸屏的嵌入式人机界面以脱离PC独立运行，节约成本，方便可靠。方便可靠。方便可靠。


技术研发人员：周晶 彭俊超 黄豪彩
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/16